¶ 1. 机柜结构概览
¶ 1.1 产品简介
MGS-200 机柜集群版 是一款微电网硬件在环验证平台，集成光伏（PV）、储能（Battery）、负荷（Load）与公共耦合点（PCC）四大核心节点的功率管理与调度功能。系统基于低压缩比缩微复现技术，在 20 Vdc / 12 Vac 低压安全电压下精准复现 MW 级真实微电网的动态特性，面向电力电子、AI 控制算法及能量管理系统（EMS）提供高保真验证环境。
本机型适⽤于⾼校实验室、科研院所及企业研发部⻔，⾯向分布式光储充、虚拟电⼚（VPP）、多智能体协同控制等前沿研究领域。
¶ 1.2 机柜规格
MGS-200 机柜集群版是将两台 MGS-104 Pro 机箱（分别作为主机与从机）集成至标准机柜的一体化解决方案。机柜集成了配电系统、直流电源阵列、交流电源、散热系统及外围设备，提供即插即用的集群级微电网验证环境。
- 主机 MGS-104 Pro：节点编号 1-4，含 CAN 盒
- 从机 MGS-104 Pro：节点编号 5-8，不含 CAN 盒
| 项目 | 规格 |
|---|---|
| 机柜尺寸 | 1665 mm (高) × 616 mm (宽) × 806 mm (深) |
| 功率节点 | 8 × STM32F302 |
| 直流电源 | 4 × 直流稳压可编程开关电源 |
| 交流电源 | 1 × 可编程交流电源 |
| 配电系统 | 含总开关、微型断路器、指示灯按钮、急停按钮、配电插座 |
| 边缘计算 | NVIDIA Jetson Orin Nano 8GB |
¶ 1.3 机柜隔层布局
| 层位 | 设备 | 说明 |
|---|---|---|
| 第1层 | 配电箱 | 总开关、微型断路器、指示灯按钮、急停按钮、配电插座 |
| 第2层 | 主机 MGS-104 Pro | 节点 1-4，含 CAN 盒 |
| 第3层 | 从机 MGS-104 Pro | 节点 5-8，不含 CAN 盒 |
| 第4层 | 直流电源阵列 | 4 × 直流稳压可编程开关电源（DC1 → DC4 从左至右排列），左侧空间放置公牛插排（四位独立开关） |
| 第8层（最底层） | 交流电源 | 1 × 可编程交流电源（带固定座） |
图1.1：MGS-200 机柜结构示意
¶ 1.4 物理拓扑
MGS-200 机柜由两套独立的源网荷储子系统通过公共直流母线耦合构成。每套子系统包含三个 DC/DC 变换器（分别连接 PV 模拟、储能电池、EV 负荷）和一个 AC/DC 变换器（连接交流电网，作为 PCC）。两套子系统通过 CAN 总线与上位机（Jetson）通信，实现数据同步与协同调度。
.png)
图1.2：MGS-200 双机级联拓扑结构（8节点控制阵列）
¶ 1.5 控制架构
MGS-200 机柜采用双层控制架构：
- 上层（Jetson 边缘计算）：运行 AI 算法、MPC、VPP 调度，通过 Python SDK 下发功率指令，控制周期 100 ms。
- 下层（STM32 节点）：执行底层电压/电流闭环控制，通过 CAN 总线接收指令并反馈实时采样值（电压、电流、功率、温度、状态）。
¶ 1.6 层级架构
MGS-104 Pro 系统的硬件组成按自顶向下分为四个层级：整机机柜 → 独立机箱 → 功率节点板卡 → 核心控制芯片。
¶ 1.6.1 整机机柜
MGS-200 机柜内包含以下主要部件：
- 2 台 MGS-104 独立机箱：每台机箱为一个完整的四节点微电网子系统，双机通过 CAN 总线级联构成 8 节点控制阵列。
- 交流源：为系统提供稳定的交流电源输入，支持 220V/50Hz 市电接入，内置 EMI 滤波与浪涌保护。
- 直流源：为内部功率变换器及控制电路提供直流供电，输出 24V/3A 及 12V/2A 等多路隔离电源。
- 配电箱：集成总电源开关、急停按钮、过流/过压保护继电器及状态指示灯，确保系统安全运行。
机柜高度 1665mm，宽度 616mm，深度 806 mm，前后面板均设计有通风孔，便于散热，底部安装有滑轮。
¶ 1.6.2 独立机箱
每台 MGS-104 机箱为一个独立的四节点子系统，采用全透明亚克力材质（412 mm × 537 mm × 158 mm），内部布局清晰可见。机箱内包含：
- 1 块主板（背板）：集成 CAN 总线收发器、电源分配网络、节点插槽及接口连接器。
- 4 个功率节点板卡：分别为 PV 节点、电池节点、负荷节点和 PCC 节点，可灵活配置为 DC/DC 或 AC/DC 类型。
- 1 块边缘计算板卡：搭载 NVIDIA Jetson Orin Nano Super 核心模块，预装 Ubuntu 20.04 及 Python SDK。
- 散热系统：依靠自然对流散热，机箱侧壁和底部设有通风槽，顶部预留 2 个 12V/0.1A 风扇位。
机箱前面板提供电源开关、状态 LED（电源、通信、故障）以及 4 mm 香蕉头功率接口（红/黑各 4 组）。后面板提供 DC 24V 输入接口、CAN 通信接口（DB9）、USB 和 Ethernet 接口（用于 Jetson）。
图1.3：MGS-104 Pro机箱结构示意
¶ 1.6.3 功率节点板卡
每块功率节点板卡尺寸为 100 mm × 80 mm，采用 4 层 PCB 设计，主要包含以下功能区块：
- 功率变换器：双向 DC/DC（Buck/Boost）或双向 AC/DC（单相 H 桥），开关频率 100 kHz，最大效率 ≥92%。
- 采样与调理电路：电压/电流传感器（霍尔效应或互感器）、差分放大器、抗混叠滤波器，采样精度满足直流 ±0.1 V / ±0.1 A，交流 ±0.1 V / ±0.1 A。
- 驱动与保护电路：隔离栅极驱动器、硬件逐周期过流比较器、过温检测、短路保护逻辑。
- 通信接口：CAN 收发器（ISO 11898-2 兼容），带 ESD 保护，支持 500 kbps 波特率。
- 辅助电源：从机箱背板取电，产生 ±15V、5V、3.3V 等局部供电。
每个节点板卡通过 2×10 针排针连接器与背板相连，实现电源、CAN 总线及控制信号的传递。板卡正面配有运行/故障 LED 指示灯。
Pro 双机配置包含两台机箱，共 8 个功率节点板卡，具体分配为 AC/DC 功率单元 2 片（用于 PCC 节点）、DC/DC 功率单元 6 片（用于 PV、电池、负荷节点）。
¶ 1.6.4 核心控制芯片
每块功率节点板卡的核心为 STM32F302 微控制器，其关键特性如下：
- 内核：ARM Cortex-M4，主频 72 MHz，支持 FPU 和 DSP 指令。
- 存储：128 KB Flash，32 KB SRAM，满足实时控制程序与数据存储需求。
- 高级定时器：2 个 16 位高级定时器（支持 6 路互补 PWM，带死区插入），适用于功率变换器高频开关控制。
- 模数转换器：3 个 12 位 ADC，采样率高达 5 Msps，支持多通道同步采样。
- 通信接口：2 个 CAN 2.0B 接口（兼容 2.0A），3 个 USART，2 个 SPI，2 个 I2C。
- 工作温度：-40°C ~ +85°C，工业级规格，适用于长时间连续运行。
边缘计算核心为 NVIDIA Jetson Orin Nano Super，提供 67 TOPS AI 算力，运行高级控制算法并与各 STM32 节点通过 CAN 总线协同工作。
¶ 2. 内部设备布局与连线
¶ 2.1 术语说明
| 术语 | 说明 |
|---|---|
| 主机 | MGS-104Pro 机箱，节点编号 1-4，含 CAN 盒 |
| 从机 | MGS-104Pro 机箱，节点编号 5-8，不含 CAN 盒 |
| DC1–DC4 | 四个ITECH IT6720 直流稳压可编程开关电源 |
| 交流源 | ITECH IT7322 可编程交流电源 |
| 配电箱 | 含总开关、微型断路器、指示灯按钮、急停按钮、配电插座的控制箱 |
¶ 2.2 线缆物料清单
| 物料名称 | 规格/备注 | 数量 |
|---|---|---|
| 带插拔式接线端子的电源功率香蕉头线缆（红） | 4mm 香蕉头转香蕉头，红色；两条长线（贴 DC1、DC2 标签）、两条短线（贴 DC3、DC4 标签） | 4 |
| 带插拔式接线端子的电源功率香蕉头线缆（黑） | 4mm 香蕉头转香蕉头，黑色；两条长线（贴 DC1、DC2 标签）、两条短线（贴 DC3、DC4 标签） | 4 |
| ZLG-USBCAN 通信线 | Type-B 转 USB 线缆 | 1 |
| 主从机 CAN 通信连接线 | 2Pin 插拔式接线端子（共 2 个）+ 0.25m 杜邦线 | 1 |
| 显示器线缆 | DP 转 HDMI | 1 |
| 交流源品字电源线 | 连接机箱交流品字接口 | 2 |
| 交流源输入供电线 | 为交流源供电 | 1 |
| 直流源输入供电线 | 为四台直流源供电 | 4 |
¶ 2.3 系统布线
¶ 2.3.1 主机 CAN 盒与 Jetson 连接
使用 ZLG-USBCAN 通信线（Type-B 转 USB），将 USBCAN 盒的 USB-B 接口连接至主机（Jetson Orin Nano）的 USB Type-A 接口。USBCAN 盒是 Jetson 与机箱之间的通信桥接设备，负责将 CAN 总线数据转换为 USB 信号供 Jetson 处理。
¶ 2.3.2 主从机 CAN 通信连接
使用主从机 CAN 通信连接线（2Pin 插拔式接线端子），连接主机与从机正面的 CAN 通信外部接口。
¶ 2.3.3 直流电源连接
主机直流电源连接（DC1、DC2）：
- 红色长线：主机直流源接口板 DC1/DC2 接口 → DC1/DC2 直流源（正极）
- 黑色长线：主机直流源接口板 DC1/DC2 接口 → DC1/DC2 直流源（负极）
从机直流电源连接（DC3、DC4）：
- 红色短线：从机直流源接口板 DC3/DC4 接口 → DC3/DC4 直流源（正极）
- 黑色短线：从机直流源接口板 DC3/DC4 接口 → DC3/DC4 直流源（负极）
直流源连接插排：
- 四个直流源根据从左到右的排列依次连接左边插排的从前到后。
安全提醒：进行所有接线操作前，必须确保总电源处于断开状态，各电源设备开关置于 OFF。
¶ 2.3.4 交流电源连接
- 使用品字电源线分别连接主机的交流电源品字接口和交流源的输出插座 1
- 使用另一条品字电源线分别连接从机的交流电源品字接口和交流源的输出插座 2
- 在交流源背部安装交流源输入供电线，用于后续连接配电箱
¶ 2.3.5 配电箱电源连接
| 连接 | 说明 |
|---|---|
| 主机插排（6位总控0.5米） | → 配电箱 AC220V 10A OUT 插座 1 |
| 从机插排（6位总控0.5米） | → 配电箱 AC220V 10A OUT 插座 2 |
| 直流源层插排（1.8米/四位独立开关） | → 配电箱 AC220V 10A OUT 插座 3 |
| 交流源输入供电线 | → 配电箱 AC220V 10A OUT 插座 4 |
| 总电源线 | 接入配电箱 AC220V IN 接口，另一端接市电 |
¶ 2.3.6 外设连接
- 鼠标与键盘插入 Jetson Orin Nano 主板的 USB 接口
- 使用 DP 转 HDMI 线缆连接显示器与 Jetson 的 DisplayPort 接口
- 显示器电源线接入市电
¶ 3. 集群部署要点
¶ 3.1 节点映射与功率关系
MGS-200 机柜集成两台 MGS-104 Pro 机箱，共定义八个节点（编号 1-8），节点映射关系如下：
| 节点编号 | 设备 | 控制模式 |
|---|---|---|
| 1 | 光伏 (PV) | MPPT 或限功率运行 |
| 2 | 储能 (Battery) | 恒压 (CV) 模式，设定充放电功率 |
| 3 | 负荷 (Load) | 按设定功率曲线取电（不可控） |
| 4 | 公共耦合点 (PCC) | 由其他节点功率合成 |
| 5 | 光伏 (PV) | MPPT 或限功率运行 |
| 6 | 储能 (Battery) | 恒压 (CV) 模式，设定充放电功率 |
| 7 | 负荷 (Load) | 按设定功率曲线取电（不可控） |
| 8 | 公共耦合点 (PCC) | 由其他节点功率合成 |
PCC 功率计算： 每个子网内 PCC 节点的功率由同子网其它节点功率合成：
P_PCC = P_Load - P_PV - P_Battery
- 正值（P_PCC > 0）：表示从电网取电（负荷 > 新能源 + 储能放电）
- 负值（P_PCC < 0）：表示向电网馈电（新能源 + 储能放电 > 负荷）
节点 1-4 属于主机子系统，节点 5-8 属于从机子系统，两套子系统各自独立完成源网荷储功率平衡计算。
¶ 3.2 配套案例与算法能力
MGS-200 机柜提供五个配套案例（含 Pro 双机级联示例），覆盖新能源控制系统从基础控制到智能优化的典型应用。所有案例均提供完整源代码和配套说明文档，可直接运行，也可作为二次开发模板。
| 案例 | 控制对象 | 主要功能 | 算法与应用能力 |
|---|---|---|---|
| Case 1 | PV + Battery + Load | 三节点功率平衡控制 | 离网微电网功率协调、储能 SOC 保护、负载限制与安全运行 |
| Case 2 | CSV Load | CSV 工况轨迹回放 | 实测数据复现、标准工况测试、算法对比验证与自动化测试 |
| Case 3 | PV + Battery + Load + PCC | 四节点协同控制 | 并网控制、直流母线支撑、PCC 恒压运行及多节点功率协同 |
| Case 4 | PV + Battery + Load + PCC | 基于强化学习的储能经济调度 | 支持 RL、规则策略、零功率策略对比，用于 AI 控制算法验证与储能经济运行 |
| PRO Case 1 | 8 节点双子网（PV+Bat+Load+PCC） | 双子网独立功率平衡、PCC 恒压控制 | Pro 双机级联示例，演示 8 节点、两套独立子系统（源网荷储）的功率平衡控制；每套子系统内部独立自治，PCC 仅维持母线电压，不参与功率调度；适用于双机级联、多微电网分区协同等场景 |
除配套案例外，平台同样支持模型预测控制（MPC）、虚拟电厂（VPP）、需量管理、多智能体协同控制及其他人工智能算法开发，为新能源控制策略研究提供统一的软件运行平台。
¶ 4 实验平台搭建步骤
¶ 4.1 装配前联机测试
在将设备装入机柜之前，须对主机与从机进行双机箱联机通信验证。
测试步骤：
- 将主机与从机分别独立启动，确保各机箱的四节点案例可正常加载运行
- 使用主从机 CAN 通信连接线，连接两个机箱正面的 CAN 通信外部接口
- 两台机箱均启动完成后，加载八节点案例，确认 APP 中节点 1-8 全部显示在线（绿色）
- 连续运行不少于 10 分钟，期间观察各节点数据通信是否稳定
通过标准： 八节点案例连续运行 ≥ 10 分钟，所有节点状态保持在线，通信数据正常。
注意：装柜前须将从机上的 CAN 盒取下（从机在机柜内通过主机 CAN 盒进行通信）。
¶ 4.2 机柜装配流程
- 机柜隔板调整：将最下方隔板安装在底层（带固定座，承载交流源），其余隔板按需求安装
- 主机安装：安装在第二格（从上往下数）
- 从机安装：安装在第三格
- 直流源安装：四台 IT6720 安装在第四格，按 DC1→DC4 从左至右排列
- 交流源安装：放置在最底层，用四颗螺丝固定
- 配电箱安装：安装在最上层（第一格）
¶ 4.3 启动步骤
按照上文部分布局装配与连线后，需按照以下启动步骤严格操作，错误的操作顺序可能导致电源过流保护触发或设备异常。
| 步骤 | 操作内容 | 状态确认 |
|---|---|---|
| 1 | 确认所有开关处于初始关闭状态：总开关 → 0档、微型断路器 → 关闭、辅助电源接口板 → OFF、直流源 → OFF、交流源 → OFF、交流空气开关 → 关闭 | 全 off 确认 |
| 2 | 总电源线接入市电 → 配电箱总开关调至 1档 → 打开微型断路器 → 按下指示灯按钮开关的绿色部分 | 配电箱指示灯亮起，Jetson 红色 PWR LED 常亮 |
| 3 | 等待 Jetson Orin Nano 自动启动（约 30-60 秒），显示器出现 Ubuntu 20.04 登录界面 | Ubuntu 桌面登录界面显示 |
| 4 | 输入用户名 mgs104、密码 mgs104 进入系统桌面 → 启动 Pailink Intelligence APP |
APP 界面显示，节点 1-8 状态为在线（绿色） |
| 5 | 将辅助电源接口板开关拨至 ON 位置 | 机箱内部红色指示灯亮起，风扇运转 |
| 6 | 将四台直流源开关拨至 ON → 先设定输出电压为 1V → 观察 APP 中波形数据是否对应 → 确认无误后调至 15V | 直流源面板显示稳定 15V，APP 中波形正常 |
| 7 | 打开两个机箱的交流电源空气开关 → 将交流源开关拨至 ON → 设定输出电压为 220V | 交流源显示器显示约 60W 静态功率 |
| 8 | 在 APP 中打开「CAN 面板」，确认节点 1-8 的直流侧电压 V1 稳定在 15V 附近 | 各节点电压数据正常，波形曲线稳定 |
关键时序要求：
- 直流源必须在辅助电源接口板启动之后启动
- 交流源必须在直流源启动并稳定至 15V 之后再启动，否则可能触发交流源过流保护
- 第一次使用时，直流源应先设为 1V 验证电路接线正确
¶ 4.4 关机流程
关机操作为开机流程的逆向操作：
| 步骤 | 操作内容 | 确认事项 |
|---|---|---|
| 1 | 交流源输出电压调至 0V → 交流源开关拨至 OFF → 关闭两个机箱的交流空气开关 | 交流源面板显示关闭 |
| 2 | 四台直流源输出电压调至 0V → 直流源开关拨至 OFF | 直流源面板显示关闭 |
| 3 | 辅助电源接口板开关拨至 OFF | 机箱内部红灯熄灭，风扇停止 |
| 4 | 关闭 Pailink Intelligence APP → Ubuntu 系统关机 | 系统完全关闭 |
| 5 | 关闭配电箱微型断路器 → 总开关调至 0 档 | 配电箱指示灯熄灭 |
关机时若无紧急情况，严禁直接切断总电源，必须按上述顺序逐步关闭各电源模块，避免损坏仪器设备。